壓電效應(yīng)概述

壓電效應(yīng)概述2008-6-1417:14:39 |轉(zhuǎn)載|固定鏈接|評(píng)論(0) |瀏覽(473)本文轉(zhuǎn)載自光伏技術(shù)壓電效應(yīng)英文名稱：Piezoelectriceffect壓電效應(yīng)概述壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。壓電效應(yīng)分類壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式(見圖)。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。壓電效應(yīng)歷史與應(yīng)用06年是居里兄弟皮爾（P.Curie）與杰克斯（J.Curie）發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)（piezoelectriceffect，注一）的一百周年。一百年前在杰克斯的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了壓電性。起先，皮爾致力于焦電現(xiàn)象（pyroelectriceffect,注二）與晶體對(duì)稱性關(guān)系的研究，后來兄弟倆卻發(fā)現(xiàn)，在某一類晶體中施以壓力會(huì)有電性產(chǎn)生。他們有系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，及預(yù)測(cè)某類晶體具有壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有非晶方性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，晶方性（isotropic）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。在非晶方性晶體中，施一外力使晶體變形，則由于晶格中電荷的移動(dòng)造成晶體內(nèi)局部性不均勻電荷分布，而產(chǎn)生一電位移。電荷的位移是由于晶體內(nèi)部所有離子的移動(dòng)，或者因?yàn)樵榆壍郎想娮臃植嫉淖冃味痣x子偏極化所造成，這些電荷位移現(xiàn)象在所有材料中都存在，可是要具有壓電效應(yīng)，則必須能在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極矩變化。是否能有這種變化，端視晶格結(jié)構(gòu)之對(duì)稱性而定。壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼（Lippmann）在研究熱力學(xué)原理時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，后來在同一年，居里兄弟做實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)理論，且建立了壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。1894年，?？颂兀╓.Voigt）更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟ǔ鼍w結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)32種晶類（class）具有壓電效應(yīng)。今天，我們都知道，壓晶體管可用來作為聲波的產(chǎn)生器與接收器，無論在軍事上（如聲納）、工業(yè)上、工程上都具有廣泛的用途?？墒窃缭诰永镄值馨l(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀(jì)中，壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測(cè)量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn)，盟軍軍艦受到德國(guó)潛艇的攻擊大量受損，于是設(shè)法尋找有效偵測(cè)潛艇的方法。因?yàn)殡姶挪o法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進(jìn)，因此，當(dāng)時(shí)的藍(lán)杰文（P.Langevin）發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器?？上У鹊接辛撕媒Y(jié)果，大戰(zhàn)已接近尾聲而來不及用上了。石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號(hào)，則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底；過一段時(shí)間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來回時(shí)間及波在海中行進(jìn)的速度，可決定換能器到海底的距離。這個(gè)原理同樣可測(cè)潛艇的位置。第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。首先，哈佛大學(xué)的皮爾士教授(G.W.Pierce)用石英晶體制作超聲波干涉儀，由石英所發(fā)生的超聲波和圖中聲波反射器所反射的回波混合，產(chǎn)生極大值，若微調(diào)反射板使前進(jìn)或后退，則可獲得另一極大值，由兩極大值間的距離，亦即反射板在兩相鄰極大值間所移動(dòng)的距離，可測(cè)出聲波波長(zhǎng)。因?yàn)橐阎l率，因此由頻率與波長(zhǎng)的乘積，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。同時(shí)，由幾個(gè)極大值間的振幅降低率，可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來測(cè)量聲波在二氧化碳中波速對(duì)頻率的關(guān)系，而求出波速的色散關(guān)系。用這種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。1927年，伍德(R.W.Wood)與魯密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔(cavitation)現(xiàn)象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。在水下音響(underwatersound)的研究中發(fā)現(xiàn)，石英晶體并不是很好的換能器材料，但是它的振蕩頻率卻不隨溫度而變，亦即所謂的具有低的溫度系數(shù)。這種頻率對(duì)溫度的高穩(wěn)定性，用在控制振蕩器的頻率，及某些濾波器上最有用。1919年，卡迪(Cady)教授第一次利用石英當(dāng)作頻率控制器，圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。因?yàn)榫w具有極高的Q值(注三)，振蕩器的頻率受到晶體共振頻率的控制，且頻率不隨溫度變化而變。后來，皮爾士和皮爾士-米勒(Pierce-Miller)又發(fā)明一種以后廣被采用的晶體控制振蕩電路。在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬個(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊。石英晶體另一個(gè)重要的應(yīng)用在于獲得高度頻率選擇性的振蕩器。石英晶體是一個(gè)高Q值的壓電芯片，高Q值意味著低的聲波能量損耗(其衰減率則與頻率平方成正比)；高Q值也意味著窄頻帶，因此不適合聲音傳輸電路使用。為了能在載波通信系統(tǒng)中使用，可用一串聯(lián)電感(見圖五)來獲得寬帶操作。此類濾波器的結(jié)構(gòu)圖，它常被用在有線通訊系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)等。二次大戰(zhàn)聲納音鼓所使用的材料是若歇爾鹽而非石英晶體。雖然若歇爾鹽具有高機(jī)電耦合效率，可是卻較不穩(wěn)定，耐壓不高，很難在太高的功率下操作。在理論上，若歇爾鹽是第一個(gè)具有鐵電性(ferroelectricity)的材料，沿著晶軸方向具有一個(gè)自發(fā)極化性(spontaneouspolarization)。圖七表示沿X軸所測(cè)得偏極化量對(duì)溫度的關(guān)系。它具有兩個(gè)居里溫度(Curietemperature)，在居里溫度時(shí)偏極化量是零，在兩溫度之間則偏極化是最大。為了紀(jì)念在若歇爾市出生的塞格內(nèi)特(Seignette)博士，這種效應(yīng)稱為塞格內(nèi)特鐵電效應(yīng)，一般簡(jiǎn)稱為鐵電效應(yīng)，以表示它與鐵磁效應(yīng)的相似性。在鐵電材料中，當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，材料內(nèi)部具有電雙極(dipole)。大部分氫鍵結(jié)合的電雙極，如若歇爾鹽，其雙極都具有規(guī)則性排列，且一般都只有一個(gè)居里溫度，可是若歇爾鹽則具有兩個(gè)居里溫度，這兩類的差異主要在于氫鍵終端負(fù)離子的不同。一般氫鍵晶體的電位井(potentialwell)分布如圖八所示，在兩氧離子之間氫離子可存在的位置有兩個(gè)，氫鍵電雙極值等于電荷和兩組離子分開距離差的乘積。外加一電場(chǎng)可使氫離子由一位置跳至另一位置，而使電雙極的方向改變。在高溫，則熱量的擾動(dòng)使氫離子充滿兩個(gè)井的位置的機(jī)會(huì)相等，因此沒有自然偏極化存在。當(dāng)溫度降低，則兩電雙極相吸而使雙極方向排列趨規(guī)則化。在居里溫度則兩電雙極互相抵消，但在居里溫度加一小外力就能引起大的偏極性。溫度低于居里溫度則自發(fā)偏極性產(chǎn)生。對(duì)于一般具有如圖八的電位井的氫鍵晶體，其偏極性可一直增加，直到飽和發(fā)生?？墒菍?duì)于若歇爾鹽，則偏極性在達(dá)到一極大值后就開始降低到零。其原因可用圖八的電位井分布圖說明，在很低溫下，所有氫離子完全分布在兩低能井中，沒有自發(fā)偏極性存在。溫度上升，有些氫離子得到熱能而躍至較高能階。溫度愈高，這種躍遷機(jī)會(huì)愈大，兩電雙極因互相吸引而產(chǎn)生一較低的居里溫度。圖九表示若歇爾鹽的X光繞射晶體結(jié)構(gòu)。造成鐵電效應(yīng)的是標(biāo)號(hào)1的氧分子與標(biāo)號(hào)10的水分子所組成的氫鍵。對(duì)氫離子言，此二分子是端點(diǎn)上兩個(gè)不同的離子，因此形成如圖八所示的兩個(gè)不同名稱之電位井。以前若歇爾鹽一直是唯一為人所知的鐵電材料，可是現(xiàn)在我們知道，具有鐵電性的材料已超過百種。鐵電性材料因具有自發(fā)偏極性，且加電場(chǎng)能生感應(yīng)偏極性，因此用它作換能器此一般壓電單晶如石英等具有更高的機(jī)電耦合效率及靈敏度，可是其穩(wěn)定性則略遜于壓晶體管。漸漸地，人們用鐵電陶磁來作換能器。最早被人使用的是鈦酸鋇（BaTiO3），它是麻省理工學(xué)院的馮希普爾（vonHippel）及蘇俄科學(xué)家伏耳（Vul）及戈曼（Goldman）所分別發(fā)現(xiàn)的。未被極化的陶磁，在域（domain,注五）中之偏極化方向不具規(guī)則性，整片陶磁就像一塊高介電常數(shù)的電容器，因?yàn)樗恍韬苄〉捏w積就有夠大的電容量，因此被用在電視機(jī)上。如在120r以上的溫度下加一高電壓，則一些域內(nèi)之電耦呈規(guī)則性排列，而有凈的偏極性存在，具壓電效應(yīng)。我們可因外加交流電場(chǎng)的方向不同，而使產(chǎn)生縱波（電場(chǎng)平行于厚度方向）或橫波（電場(chǎng)垂直于厚度方向）?？v波可在水中行進(jìn)，亦可在固體中產(chǎn)生高能量。橫波則因速度較慢，適合用來制作延遲線。目前最好的壓電陶磁要屬PZT（lead-zirconate-titanate）。最近兩種重要鐵電材料可用來制作聲波換能器，一是高分子薄膜，聚雙氟亞乙烯（polyvinylidenefluoride，簡(jiǎn)稱PVF2或PVDF），一是氧化鋰鈮（lithiumniobate,LiNbO3）。聚雙氟亞乙烯經(jīng)拉伸及加高直流電壓后呈強(qiáng)壓電性，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：其聲波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易獲得寬帶操作，適合非破壞檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷及聲納與水中聽音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的聲波接收系數(shù)，用來制作被動(dòng)式聲納（passivesonar）之水聽器數(shù)組（hydrophoneassay）具有重要性。除外，它具柔軟性，又可耐高電壓（其崩潰電壓比PZT高約100倍）。氧化鋰鈮單晶具有高機(jī)電耦合及極低的聲波衰減系數(shù)，容易激發(fā)高頻表面聲波（Rayleighwave），是用來制作表面聲波（surfaceacousticwave,簡(jiǎn)稱SAW）組件的最佳材料。這些組件在訊號(hào)處理系統(tǒng)與通信系統(tǒng)上具有不可取代的地位。圖十一表示使用氧化鋰鈮表面波通頻濾波器。用一組正負(fù)電壓相間的交趾狀換能器產(chǎn)生表面聲波（所謂的interdigitaltransducer,或簡(jiǎn)稱IDT），所激發(fā)聲波之中心頻率由正負(fù)電極間之距離決定，其頻寬則與電極數(shù)目成反比。圖十二表示另一表面聲波脈波伸張與壓縮濾波器，它可用在CHIRP雷達(dá)系統(tǒng)中，以提高搜索范圍與解像力。另一項(xiàng)重要且獨(dú)特的研究，是在所謂的聲學(xué)顯微上，這種微波頻率的組件使用電濺（sputtered）的壓電薄膜作為聲波換能器，以振動(dòng)產(chǎn)生幾個(gè)GHz（1GHz=109周/秒）聲波，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為一微米（10-6米）。因?yàn)閾Q能器振動(dòng)頻率和壓晶體管厚度成反比，要產(chǎn)生如此高頻率聲波需用薄膜壓電材料，如氧化鋅或硫化鎘等。時(shí)值壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的一百周年，特參考馬遜（W.P.Mason）之作撰寫本文，簡(jiǎn)介壓電性之歷史及其應(yīng)用。早期壓電效應(yīng)僅止于學(xué)術(shù)上的趣味性研究，而如今則已成為非常有用的效應(yīng)，用它制出各式各樣的聲電換能器，其操作頻譜可由100Hz起涵蓋至幾個(gè)GHz，依頻率的不同而有不同的用途。聲納、反潛、海底通訊、電話通訊等是低頻（聲頻、AF波段）訊號(hào)最典型的應(yīng)用。在幾個(gè)MHz范圍，其波長(zhǎng)在毫米范圍，適合用來作非破壞性的檢驗(yàn)材料（nondestructivetesting,簡(jiǎn)稱NDT）與醫(yī)學(xué)診斷上，所謂超聲波成像術(shù)、全像攝影術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助聲波斷層攝影術(shù)等就是針對(duì)這些用途而研究的。頻率在VHF、UHF波段則使用壓電性所研制出來的表面聲波電子組件。如延遲線、各式濾波器、回旋器（convolver）、相關(guān)器（correlator）等訊號(hào)處理組件，在通訊上與訊號(hào)處理上具有重要的應(yīng)用。當(dāng)頻率高至低微波波段，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在微米范圍，用來制作聲學(xué)顯微鏡，其解像力可和傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡比美，而其機(jī)械波而非電磁波的獨(dú)特性質(zhì)，則可彌補(bǔ)光學(xué)顯微鏡在應(yīng)用上的不足。注一：對(duì)某些材料施一壓力或拉力，則除了材料外形有所變化外（所謂的應(yīng)變)，由于此類材料之晶格結(jié)構(gòu)具有某種不對(duì)稱性(所謂的inversionasymmetry),外形的變形使內(nèi)部電子分布呈局部性不均勻而產(chǎn)生一凈的電場(chǎng)分布。反之，外加一周期性電壓或電場(chǎng)變化，則能使材料產(chǎn)生變形，及一對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，形狀變化隨外加電壓訊號(hào)之頻率而變，可產(chǎn)生一周期性彈性波或聲波，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，這些材料即稱為壓電材料。注二：在一些鐵電材料中，當(dāng)其溫度有所變化時(shí)，則會(huì)引起其自發(fā)偏極矩的變化，而在材料表面呈凈電荷分布，這種效應(yīng)即稱為焦電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可檢知溫度變化或測(cè)量所謂的熱波(thermalwave)。注三：振蕩器Q值(qualityfactor)的定義是每單位周期振蕩波所損耗的功率，有時(shí)我們用。=中心頻率/頻寬表示。頻寬愈窄的振蕩器，Q值愈高，如石英振蕩器就是一例。注四：介入損耗表示一電子組件或組件的總損耗量，即輸出訊號(hào)和輸入訊號(hào)相比之差額，一般以分貝(dB)表示。注五：在鐵磁材料中，當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于居里點(diǎn)時(shí)，以微觀觀點(diǎn)來看，所有電子的磁矩應(yīng)完全以同一方向排列，其實(shí)不然。實(shí)際上此種材料內(nèi)部分成許多小區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)磁矩呈規(guī)則性排列，可是小區(qū)域與小區(qū)域間之磁矩排列方向則不盡相同，以致于整個(gè)材料之磁矩遠(yuǎn)小于其飽和磁矩。這些小區(qū)域簡(jiǎn)稱為域或疇，在反鐵磁材料、鐵電材料、反鐵電材料、鐵彈性材料(ferroelastics)、超導(dǎo)體材料中亦都有域存在。巧用打火機(jī)演示壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是某些介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時(shí)，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對(duì)應(yīng)的兩表面電勢(shì)差（電壓）也越大。這種神奇的效應(yīng)已被應(yīng)用到與人們生產(chǎn)、生活、軍事、科技密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)力一一電轉(zhuǎn)換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以生產(chǎn)出不用火石的壓電打火機(jī)、煤氣灶打火開關(guān)、炮彈觸發(fā)引信等。此外，壓電陶瓷還可以作為敏感材料，應(yīng)用于擴(kuò)音器、電唱頭等電聲器件；用于壓電地震儀，可以對(duì)人類不能感知的細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并精確測(cè)出震源方位和強(qiáng)度，從而預(yù)測(cè)地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動(dòng)器具有精確控制的功能，是精密機(jī)械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件?？梢哉f，壓電陶瓷等器件不僅廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域，還頗具“平民性”，對(duì)廣大“煙民”來說，天天與壓電陶瓷發(fā)生著“零接觸”，卻熟視無睹其存在。目前流行的一次性塑料打火機(jī)，有相當(dāng)一部分是采用壓電陶瓷器件來打火的。取出其中的壓電打火元件，其外形如圖1所示。一、測(cè)量?jī)x器及附件選擇壓電打火機(jī)的電壓陶瓷元件產(chǎn)生的瞬間電壓用什么儀器可以測(cè)量呢？起初，我們?cè)噲D用普通指針式多用電表直流高壓擋測(cè)量，發(fā)現(xiàn)每次按動(dòng)點(diǎn)火元件的黑色塑料壓桿時(shí)，由于兩個(gè)電極接出的電壓只能使指針略微抖動(dòng)一下。分析原因是，因?yàn)殡妷好}沖持續(xù)時(shí)間甚短，指針慣性較大，指針無法同步體現(xiàn)電壓的變化做大幅偏轉(zhuǎn)。換用數(shù)字顯示型多用電表，本以為其無指針慣性影響，應(yīng)該能讀出瞬間高電壓來，誰知事與愿違，我們根本看不到預(yù)想的高電壓讀數(shù)，只能看到一些變換不定的低電壓數(shù)據(jù)。分析起來，這是由于液晶顯示響應(yīng)速度較慢，點(diǎn)火電壓脈沖持續(xù)時(shí)間甚短，來不及顯示最高瞬間電壓，只能顯示電壓降落（較平緩階段）過程中的某些隨機(jī)電壓讀數(shù)。最后，我們搬出實(shí)驗(yàn)室的“重磅武器”一一示波器，再做一試。我們用的是實(shí)驗(yàn)室最普通的J2459型學(xué)生示波器，連接線為兩條普通的帶終魚夾的導(dǎo)線。從理論上講，示波器是利用電子束偏轉(zhuǎn)后打在熒光屏上顯示光點(diǎn)移動(dòng)的，電子束慣性極小，應(yīng)該能“跟蹤”上點(diǎn)火高壓脈沖的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不出所料。二、電壓幅值的估測(cè)方法把示波器交直流選擇開關(guān)置于“DC”擋，掃描范圍置于“10?100kHz”擋，用X移位和Y移位將水平亮線移到方格坐標(biāo)的中央部，置X軸上。為了能估測(cè)壓電效應(yīng)的最高電壓幅值，我們必須先用熒光屏前的方格坐標(biāo)系，定出電壓標(biāo)尺：利用接在示波器Y輸入接線柱上的兩根導(dǎo)線，把一節(jié)干電池的1.5V電壓加在示波器上，衰減放在1，Y增益放在最低，可以發(fā)現(xiàn)剛才的水平亮線上跳（或下跳）兩格左右，即此時(shí)兩格代表1.5V電壓。在Y增益不變的情況下，再將Y衰減放在1000（即千分之一）擋，熒光屏前方格坐標(biāo)的兩格就可以代表1500V了。將Y輸入接線柱上的兩根饋線的鱷魚夾分別接在壓電打火機(jī)壓電元件的兩個(gè)電極上，迅速按下其黑色塑料壓桿，可以看到原來位于中央高度的水平亮線向上（或向下）跳動(dòng)又恢復(fù)原位。由于熒光屏的余暉作用，水平亮線在示波器上顯現(xiàn)的是一條高度達(dá)四格的亮帶，這表明該脈沖的電壓幅值在3000V以上。如果想觀察這個(gè)電壓脈沖的波形，可以每次按動(dòng)壓桿的同時(shí)，細(xì)心調(diào)節(jié)示波器“掃描微調(diào)”旋鈕（事先將掃描范圍換到“10?100Hz”擋），我們可以在熒光屏上看到如圖2所示的波形，其電壓上升較陡，降低較平緩，峰值在四格以上。三、脈沖持續(xù)時(shí)間的估測(cè)將示波器的衰減擋置于1000擋，掃描范圍置于“10?100Hz”擋，“掃描微調(diào)”左旋到底，即掃描頻率為10Hz，調(diào)節(jié)“X增益”和“X移位”旋鈕，使X軸掃描線充滿10格，那么每一格代表1/10X1/10S，即0.01按下壓電元件的黑色塑料壓桿，可以看到壓電脈沖持續(xù)一格，如圖3所示，即對(duì)應(yīng)于0.01s，也就是說，該脈沖持續(xù)時(shí)間約為0.01s。壓電晶體有一類十分有趣的晶體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（a-石英）是一種有名的壓電晶體。如果按一定方向?qū)λЬw上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會(huì)產(chǎn)生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會(huì)出現(xiàn)電荷，不過符號(hào)相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會(huì)愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，即開始振動(dòng)。這種逆壓電效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用。用水晶可以制作壓電石英薄片，其面積不過數(shù)平方毫米，厚度則只有零點(diǎn)幾毫米。別小看這小小的晶片，它在無線電技術(shù)中卻發(fā)揮著巨大作用。如前所述，在交變電場(chǎng)中，這種薄片的振動(dòng)頻率絲毫不變。這種穩(wěn)定不變的振動(dòng)正是無線電技術(shù)中控制頻率所必須的，你家中的彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子。就是這個(gè)關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機(jī)械表更高的走時(shí)準(zhǔn)確度。裝有壓電晶體元件的儀器使技術(shù)人員研究蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及各種化工設(shè)備中壓力的變化成為現(xiàn)實(shí)。利用壓電晶體甚至可以測(cè)量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時(shí)承受的壓力以及炸彈爆炸時(shí)的瞬時(shí)壓力等。壓電晶體還廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無線電波為收音機(jī)所接收，并通過安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動(dòng)，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚(yáng)聲器上的壓電晶體薄片則會(huì)“說話”或“唱歌”。壓電高分子piezoelectricpolymer壓電現(xiàn)象是由于應(yīng)力作用于材料，在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生電荷的過程，一般這一過程是可逆的，即當(dāng)材料受到電參數(shù)作用，材料也會(huì)產(chǎn)生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見的高分子壓電性材料，但是其壓電率太低，而沒有使用價(jià)值。在有機(jī)高分子材料中聚偏氟乙烯等類化合物具有較強(qiáng)的壓電性質(zhì)。壓電率的大小取決于分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外，許多含有其他強(qiáng)極性鍵的聚合物也表現(xiàn)出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓電特性。而且高溫穩(wěn)定性較好。主要作為換能材料使用，如音響元件和控制位移元件的制備。前者比較常見的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機(jī)、麥克風(fēng)、電話、血壓計(jì)等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起，分別施加相反的電壓，薄膜將發(fā)生彎曲而構(gòu)成位移控制元件。利用這一原理可以制成光學(xué)纖維對(duì)準(zhǔn)器件、自動(dòng)開閉的簾幕、唱機(jī)和錄像機(jī)的對(duì)準(zhǔn)件。壓電陶瓷——信息時(shí)代的新型材料什么是壓電陶瓷呢?其實(shí)它是一能夠?qū)C(jī)械能和電能互相